具有冗余的開關熔融保險裝置組合的變流器和用于在開關失效情況下選擇性地觸發(fā)保險裝置的方法與流程

文檔序號：12514757閱讀：403來源：國知局

本發(fā)明涉及一種變流器、一種具有根據(jù)本發(fā)明的變流器的交通工具以及一種用于運行變流器的方法。變流器具有中間回路，其正導線和負導線經(jīng)由半橋電路與交流電壓相導體連接。半橋電路基于半導體開關形成。

背景技術：

這種半導體開關能夠在故障時需要中斷變流器的運行，以便能夠維修半橋電路。但是這并不總是可行的，例如在飛行器飛行期間，所述飛行器的推進器借助電動馬達驅(qū)動，所述電動馬達又通過變流器來供電。但是用于這種電子驅(qū)動的飛行器的半導體開關剛好經(jīng)受顯著密集的宇宙輻射。這放大了一個或多個半導體開關損壞或失效的概率。

在這種故障中，不能夠預測：故障的半導體開關占據(jù)何種狀態(tài)。在IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)中、MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)或二極管作為相應的半導體開關的情況下，能夠在故障情況下出現(xiàn)：半導體開關在故障情況下導通或者短路，并且在另一故障情況下不導通或者保持持久斷開。隨后，故障的半導體開關不再能夠通過控制信號轉(zhuǎn)變到其他狀態(tài)下。為了適當?shù)貙收蠣顟B(tài)做出反應，需要極其快速的檢測和驅(qū)控，以便必要時借助于另外的開關將短路的半導體開關與系統(tǒng)分離開，所述短路的半導體開關持久電導通。這種類型的保護裝置提高構件數(shù)量，并且擴大所需要的結構空間。特別地，在用于分離半導體開關的連接器或繼電器情況下，附加耗費不期望地大。但是如果完全不存在保護措施，那么在故障情況下出現(xiàn)不可控的補償電流。因此，由于半導體開關故障，能夠破壞其他的半導體進而整體破壞變流器，所述故障的半導體開關由短路電流穿流。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所基于的目的是：在變流器運行中，快速且牢固地對變流器的半導體開關中的一個中的故障做出反應。

所述目的通過獨立權利要求的主題來實現(xiàn)。本發(fā)明的有利的改進形式通過從屬權利要求的特征來得出。

本發(fā)明包括變流器，其具有：中間回路，其用于提供在正導線和負導線之間的直流電壓。變流器還包括至少一個相導線，其用于接收和/或輸出交流電壓。下面，根據(jù)唯一的相導體描述本發(fā)明，但是該闡述內(nèi)容也適用于其他的相導體。相導體經(jīng)由半橋電路與正導線和負導線連接。半橋電路具有第一開關裝置和第二開關裝置，所述第一開關裝置用于將正導線與相導體連接，所述第二開關裝置用于將負導線與相導體連接。該開關裝置也稱作為高邊沿和低邊沿。以已知的方式，能夠通過交替地開關第一開關裝置和第二開關裝置對接收的交流電壓整流，或者從中間回路的直流電壓在相導體中產(chǎn)生交流電壓并且輸出。

現(xiàn)在，為了在半橋電路的半導體開關故障的情況下還能夠可靠地繼續(xù)運行變流器，根據(jù)本發(fā)明提出：第一開關裝置和第二開關裝置分別具有由多個開關支路構成的并聯(lián)電路，其中在每個電路支路中，提供半導體開關，所述半導體開關具有自身的、與半導體開關的觸點間隙串聯(lián)的熔融保險裝置。對于變流器具有多個相導體的情況，經(jīng)由所描述類型的半橋電路相應地將每個相導體與正導線和負導線連接。

本發(fā)明具有的優(yōu)點是：在半導體開關故障的情況下，當所述半導體開短路時，即持久地和/或不受控地電導通時，通過故障的半導體開關的熔融保險裝置，將所述半導體開關通過如下方式切換成無效，即一旦短路電流流經(jīng)故障的半導體開關，就燒穿熔融保險裝置。隨后，變流器能夠借助來自至少一個并聯(lián)的開關支路中的其余的半導體開關繼續(xù)運行。為了觸發(fā)熔融保險裝置，甚至不需要檢測故障的半導體開關。

在根據(jù)本發(fā)明的變流器中，每個半導體開關例如能夠基于IGBT或MOSFET或二極管形成。觸點間隙在上述半導體開關中是漏極源級路徑或集電極發(fā)射極路徑。

根據(jù)本發(fā)明的變流器尤其是2級變流器。

如下改進形式也屬于本發(fā)明，通過所述改進形式的特征得到附加的優(yōu)點。

根據(jù)一個改進形式，變流器的控制裝置設計用于：在每個開關裝置中分別同時驅(qū)控半導體開關的控制輸入端，即相應的柵極或基極。由此得到如下優(yōu)點：在半導體開關中的一個故障時變流器的運行未中斷地基于其余的半導體開關繼續(xù)。

如已經(jīng)詳述，能夠通過半橋電路對交流電壓整流或者將中間回路的直流電壓變換成交流電壓。對此，必須分別交替地開關第一和第二開關裝置。在此，根據(jù)另一改進形式確保：第一開關裝置和第二開關裝置在不同的時間區(qū)間以電導通狀態(tài)運行。在此，如果在一個時間區(qū)間中半導體開關中的一個損壞，使得該半導體開關短路，那么在運行另一開關裝置的下一時間區(qū)間中，引起正導線和負導線之間的短路，通過所述短路觸發(fā)故障的半導體開關的熔融保險裝置。在第一開關裝置再次導通的下一時間區(qū)間中，所述第一開關裝置于是能夠在半導體開關沒有故障的情況下繼續(xù)工作。

根據(jù)一個改進形式確保：故障的半導體開關的熔融保險裝置通過短路破壞并且另一電路裝置的那個短路電流(劃分成子電流)同樣流經(jīng)的半導體開關的熔融保險裝置未被破壞。在該改進形式中，每個熔融保險裝置設計成：如果正導線和負導線之間的短路電流僅流經(jīng)熔融保險裝置，那么才分別在具有如下電流強度的觸發(fā)電流的情況下進行觸發(fā)，所述電流強度與應短路電流相符。由此確保：觸發(fā)故障的半導體開關的熔融保險裝置。因為短路電流在另一開關裝置中分布到多個半導體開關上，那么所述半導體開關的熔融保險裝置在該熔融保險裝置的該設計中不觸發(fā)。

根據(jù)本發(fā)明的自動保險的變流器尤其能夠有利地應用在交通工具中，因為所述交通工具在半導體開關故障時可能無需立即中斷其行駛。

相應地，如下交通工具也屬于本發(fā)明，其具有用于驅(qū)動交通工具以行駛的電的驅(qū)動馬達，其中驅(qū)動馬達經(jīng)由變流器與電的發(fā)電機耦聯(lián)。在此，變流器為根據(jù)本發(fā)明的變流器的一個實施方式。在根據(jù)本發(fā)明的交通工具中，得到如下優(yōu)點：該交通工具在一個半導體開關故障的情況下不必直接中斷其行駛。

根據(jù)一個改進方案，交通工具設計為飛行器，特別是設計為固定翼飛行器。驅(qū)動馬達在此情況下驅(qū)動飛行器的推進器或(在直升機的情況下)驅(qū)動飛行器的旋翼。另一個改進方案提出，交通工具設計為機動車，例如設計為私人轎車或載重車。在根據(jù)本發(fā)明的機動車的行駛期間，在此同樣繼續(xù)運行用于交通工具的輪的驅(qū)動馬達，即使半導體開關的一個中出現(xiàn)故障時也如此。

一個改進形式提出：驅(qū)動馬達、變流器和發(fā)電機在沒有接觸器的情況下彼此互聯(lián)。由此，交通工具尤其緊湊地且容易地構成。

根據(jù)一個改進形式，通過驅(qū)動馬達和發(fā)電機分別僅具有唯一的多相繞組系統(tǒng)的方式，也減小了結構空間和重量。換言之，不提供冗余的交流繞組，如其當為了提供冗余而并行運行兩個變流器時是需要的那樣。

最后，用于運行一個實施方式的根據(jù)本發(fā)明的變流器的方法也屬于本發(fā)明。借助該方法，使故障的半導體開關無效，所述半導體開關持久地鎖定在電導通狀態(tài)下。在變流器運行中執(zhí)行下述方案，其中在此期間變流器接收具有預設頻率的第一交流電壓，例如發(fā)電機的第一交流電壓，并且產(chǎn)生具有可調(diào)節(jié)的頻率的第二交流電壓，以便將其輸送給驅(qū)動馬達。

在半橋電路的開關裝置處產(chǎn)生用于斷開全部半導體開關的控制信號，其中故障的半導體開關設置在所述開關裝置中。故障的半導體開關并不對該信號做出反應。通過切換到非導通狀態(tài)下，全部其余的、功能完好的半導體開關對控制信號做出反應。在半橋電路的另一開關裝置處產(chǎn)生用于閉合全部半導體開關的控制信號。由此，一方經(jīng)由故障的半導體開關和另一方經(jīng)由另一開關裝置的至少兩個另外的半導體開關來將正導線和負導線短路。由此，短路電流在正導線和負導線之間流動，其中短路電流完全地流動經(jīng)過故障的半導體開關。在另一開關裝置中，短路電流分布到至少兩個另外的半導體開關上。由此，觸發(fā)故障的半導體開關的熔融保險裝置。該方法在變流器運行中自動地執(zhí)行，而不需要在此檢測故障的半導體開關。

根據(jù)本發(fā)明的方法的如下改進形式也屬于本發(fā)明，所述改進形式具有如已經(jīng)結合根據(jù)本發(fā)明的變流器所描述的特征。出于該理由，根據(jù)本發(fā)明的方法的相應的改進形式在此不再次描述。

附圖說明

下面，描述本發(fā)明的一個實施例。對此示出：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的變流器的一個實施方式的示意圖，

圖2示出圖1的在執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的一個實施方式期間的變流器的一部分的示意圖，和

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的交通工具的一個實施方式的示意圖。

具體實施方式

下面闡述的實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式。在該實施例中，實施方式的所描述的部件分別為本發(fā)明的各個彼此獨立考慮的特征，所述特征分別也彼此獨立地改進本發(fā)明進而也能夠單獨地或以與所示出的組合不同的方式視作為本發(fā)明的組成部分。此外，所描述的實施方式也能夠通過本發(fā)明的已經(jīng)描述的特征中的其他特征補充。

在附圖中，功能相同的元件分別設有相同的附圖標記。

圖1示出變流器1，所述變流器具有整流器2、中間回路3、逆變器4和控制裝置5。經(jīng)由變流器1能夠?qū)㈦妷涸?(例如電的發(fā)電機)和電消耗器7(例如電動馬達)彼此耦聯(lián)。電壓源6能夠經(jīng)由相導線8連接到整流器2上。消耗器7能夠經(jīng)由相導線9連接到逆變器4上。經(jīng)由相導線8、9能夠分別傳遞不同相的交流電壓。

從相導線8的交流電壓中能夠通過整流器2產(chǎn)生饋送到中間回路3中的直流電壓10。中間回路3能夠具有正導線11和負導線12，在所述正導線和負導線之間施加直流電壓10。正導線11和負導線13能夠經(jīng)由電池13和中間回路電容器14耦聯(lián)，通過所述中間回路電容器提供中間回路電容C。正導線11和負導線12分別將整流器2和逆變器4耦聯(lián)。正導線11、負導線12和相導線8、9例如能夠分別通過線或匯流排來提供。

在變流器1運行期間，變流器1將交流電壓在相導體8中變換成經(jīng)由相導體9輸送給消耗器7的交流電壓。

在此，變流器1作為冗余的變流器防止故障。因此，作為發(fā)電機的電壓源6在定子中需要僅一個唯一的發(fā)電機繞組系統(tǒng)15。消耗器7作為電機在定子中需要僅一個為一的馬達繞組系統(tǒng)16。在故障時，也不需要借助于接觸器切換功率流。此外，冗余能夠借助唯一的中間回路電容器14和唯一的電池13提供。

整流器2和逆變器4分別具有半橋17，所述半橋中的每一個將正導線12和負導線13分別與相導線9中的另一個互聯(lián)或連接。為了概覽，僅三個半橋設有附圖標記。

每個半橋17能夠具有兩個開關裝置18、19。開關裝置18也稱作高邊沿電路，開關裝置19稱作低邊沿電路。在每個半橋17中，開關裝置18將正導線12與相應的相導線9連接。開關裝置19將負導線13與相同的相導線9連接。通過交替地開關整流器2中的開關裝置18、19，以已知的方式從相導線8中的一個的交流電壓中產(chǎn)生直流電壓10。通過交替地開關逆變器4中的開關裝置18、19，以已知的方式從直流電壓10在各一個相導體9中施加或產(chǎn)生交流電壓。

為了控制半橋17的開關裝置18、19，將開關裝置18、29的控制端子G與控制裝置5耦聯(lián)?？刂蒲b置5能夠完全或部分地集成到開關裝置18、19中。所述控制裝置能夠部分地或完全地作為單獨的控制單元提供。

整流器2和逆變器4能夠具有相同的電路拓撲，即它們能夠相同地構成。

為了提供所述冗余，在整流器2和逆變器4中，電路裝置18、19分別具有多個半導體開關20、21。將特有的熔融保險裝置22與每個半導體開關20、21串聯(lián)。因此，在每個開關裝置18、19中設有由多個串聯(lián)電路或電路支路Z構成的并聯(lián)電路，其中每個電路支路Z基于半導體開關20、21和熔融保險裝置22形成。每個半導體開關20、21例如能夠構成為IGBT或MOSFET。

為了進一步闡述該實施例參考圖2并且假設：逆變器4的半導體開關20中的一個故障。該故障的半導體開關20在下面稱作為故障的半導體開關23。由于故障，故障的半導體開關23連續(xù)電導通，這就是說，在所示出的實例中，正導線12持久地與相導體9電連接或短路。

在變流器1中，通過其拓撲得到如下方法：通過所述方法觸發(fā)或熔化屬于故障的半導體開關23的熔融保險裝置24，使得通過熔化保險裝置24引起電分離或電絕緣。由此于是，盡管故障的半導體開關23持久電導通，而在該實例中將正導線12與相導體9電分離。對故障的半導體23的檢測被取消。

在該方法中，通過接通無故障的半導體開關21、即其中不存在故障的半導體開關23的開關裝置19中的半導體開關，而將故障的半導體開關23經(jīng)由其保險裝置24與中間回路3分離。通過閉合半導體開關21、即通過將半導體開關21切換到電導通狀態(tài)(ON)，一方面將正導線12與負導線13經(jīng)由故障的半導體開關23置于持久導通的狀態(tài)(DEF)，并且另一方面將半導體開關21電短路。短路電流I流經(jīng)于此。

其中存在有故障的半導體開關23的開關裝置18的其余的半導體開關20切換到電截至狀態(tài)(OFF)下，即切換到斷開的狀態(tài)下。由此，短路電流I完全地經(jīng)由熔融保險裝置24和故障的半導體開關23引導。在電路裝置19中，短路電流I作為子電流I/2分布到半導體開關21上。由此防止：其熔融保險裝置22熔化或觸發(fā)。

每個半導體開關20、21的熔融保險裝置22因此不針對額定電流設計，而是針對短路電流I設計。為了將短路電流I作為子電流I/2分布到兩個半導體開關21上，同時驅(qū)控半導體開關21。對此，半導體開關21還有半導體開關20分別經(jīng)由其控制端子、即其柵極或其基極經(jīng)由共同的控制導線25互聯(lián)。在圖1中，通過控制端子G上的省略點和通過控制裝置5上的相應的省略點來表明：每個控制導線25如何能夠通過控制裝置5來控制。

在故障的半導體開關23的情況下，變流器1還正常繼續(xù)運行。故障的(短路的)半導體開關23將中間回路電壓10的正的點連接到相導線9上。如果現(xiàn)在驅(qū)控將負導線12的負點與相同的相導線9連接的半導體開關21，那么形成中間回路電壓10的飽和短路。短路電流I在兩個連接的半導體開關21和其熔融保險裝置22上進行分配。然而，整個短路電流I流經(jīng)故障的(短路的)半導體開關23和其熔融保險裝置24，因此觸發(fā)所述熔融保險裝置。故障的半導體開關23因此不運行，即其電路支路Z處于非電導通的、斷開的狀態(tài)下。與故障的半導體開關23并聯(lián)的半導體開關20(在該實例中僅一個另外的半導體開關20并聯(lián))還對中間回路電壓的一部分進行開關。

除了電驅(qū)動的飛行器(ePlane)之外，也在電驅(qū)動的機動車(eCar)和具有提高的冗余要求和/或SIL等級(根據(jù)國際標準IEC 61508/IEC 61511的安全完整性等級)的驅(qū)動變流器中應用。

對此，圖3表明：變流器1如何能夠在飛行器26中提供。代替飛行器26，變流器也能夠在其他的交通工具、例如機動車中提供。

圖3示出固定翼飛行器26，其中能夠通過消耗器7驅(qū)動推進器27。推進器27經(jīng)由軸28通過消耗器7來旋轉(zhuǎn)。消耗器7在該實例中是電的驅(qū)動馬達、即電機，所述電極以馬達運行來工作。用于驅(qū)動推進器27的能量能夠通過內(nèi)燃機29來獲取，其例如為汽油機或柴油機。內(nèi)燃機29能夠經(jīng)由軸30驅(qū)動電壓源6，所述電壓源對此構成為電的發(fā)電機。能夠?qū)⒁园l(fā)電機式運行的電機作為電的發(fā)電機提供。在此，軸30的轉(zhuǎn)速與軸28的轉(zhuǎn)速無關。對此，由電壓源6產(chǎn)生的交流電壓以所描述的方式經(jīng)由變流器1變換成交流電壓，所述交流電壓經(jīng)由交流電壓相導體9能夠饋入消耗器7中。開關裝置18、19的開關頻率在此通過控制裝置5根據(jù)推進器27的額定轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。額定轉(zhuǎn)速在此例如能夠通過駕駛員借助(未示出的)操作元件來調(diào)節(jié)或預設。

整體上，該實例指出：如何通過本發(fā)明能夠提供具有保險裝置的2級變流器。

附圖標記列表

1 變流器

2 整流器

3 中間回路

4 逆變器

5 控制裝置

6 電壓源

7 消耗器

8，9 相導線

10 直流電壓

11 正導線